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移动通信原理与设备
1.3.2.1 2.2.1 信源编码

2.2.1 信源编码

在数字通信系统中传输的都是数字信息,因此不论是模拟信源还是离散信源在数字通信中都必须先转化成适于在信道中传输的数字形式,用“0”和“1”来表示。将完成这一功能的技术称为信源编码技术。对于移动通信系统,信源最常见的是语音信号,在数字移动通信系统中,必须先把语音信号通过信源编码转化为适合在数字系统传输的数字信号。

信源编码除了具有将信源转化成适于在信道中传输的数字形式的作用外,还要在不失真或允许一定失真的条件下,用尽可能少的符号传送信源信息,以提高信息传输率。

按照信源信号是离散的信号还是连续的信号,可以将信源编码分为离散信源编码和模拟信源编码。在移动通信系统中,模拟信源编码主要指语音编码。

由于移动通信的特点,对语音编码有一些特殊的要求。首先,移动通信的频率资源十分有限,因此要求编码信号的速率较低;由于移动信道的传播条件恶劣,因而编码算法应有较好的抗误码特性。另外,从用户的角度出发,还应有较好的话音质量和较短的时延。移动通信对数字语音编码的要求如下:

(1)速率较低,纯编码速率应低于16 kbit/s;

(2)在一定编码速率下的音质应尽可能高;

(3)编码时延要短,要控制在几十毫秒之内;

(4)编码算法应具有较好的抗误码性能,计算量小,性能稳定;

(5)编码器应便于大规模集成。

这些要求之间往往是矛盾的。例如,要求高质量语音,编码速率就应高一些,而这往往又与信道带宽有矛盾。因为,信道带宽是有限的,编码速率过高就无法在信道内传输。因此,只能综合考虑对比,选择最佳的编码方案。

从移动通信的要求看,因为分配给移动通信的频谱资源本来就很紧张,所以数字信道的带宽也不能再宽,这样才能有比较大的容量。高速的语音编码,语音质量高,但占用的带宽大,适用于宽带电路上。中速的编码,语音质量略低,占用的带宽也小一些。低速编码的语音质量较差,但占用的带宽较小,可用于对语音质量要求不高的窄带信道中。

语音的编码技术通常分为3类:波形编码、参量编码和混合编码。

1.波形编码

波形编码是将时域模拟信号直接进行取样、量化并变换成数字代码而形成的数字话音信号。在接收端,接收解码恢复抽样值进而恢复波形。波形编码技术以尽可能重构话音为原则进行数据压缩,即在编码端以波形逼近为原则对话音信号进行压缩编码,解码端根据这些编码数据恢复出话音信号的波形。

波形编码的优点是:

(1)具有很宽范围的话音特性,对各种各样的模拟话音波形信号进行编码均可达到很好的效果;

(2)抗干扰性能强,具有较好的话音质量;

(3)技术成熟、复杂度很低;

(4)费用适中。

波形编码的缺点是:编码速率要求高,一般在16~64 kbit/s之间,因而所占用的频带较宽,只适用于有线通信中,对于移动通信来说,由于频率资源相当紧张,这种编码方式显然不适合。

典型的波形编码技术包括脉冲编码调制(PCM)和增量调制(AM),以及它们的各种改进型,如差分脉冲编码调制(DPCM)、自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)、连续可变斜率增量调制(CVSDM)、自适应变换编码(ATC)、子带编码(SBC)等。

2.参量编码

参量编码是通过模仿人类发声机制的声码器来构建一个话音生成的模型,从而实现话音信号到数字信号的转变的。构成声码器的主体是一个滤波器,这个滤波器的作用相当于人类的发音器官——喉、嘴、舌的组合。发送端的声码器分析语音,不断提取出话音信号中的各个特征参量并进行量化编码,从而获得相应的数字信号。在接收端,采用结构与发送端完全一样的声码器,结合特征参量,重新合成原来的话音信号。

参量编码的优点是:由于只需传送话音特征参数,因而语音编码速率可以很低,一般在2~4.8 kbit/s之间,而且不影响话音的可懂性。

参量编码的缺点是:话音有明显的失真,而且对噪声较为敏感。话音质量只能达到中等水平,不能满足商用话音质量的要求。

典型的参量编码技术包括线性预测编码(LPC)及其各种改进型。

3.混合编码

混合编码是近年来提出的一种新的语音编码技术,是波形编码和参量编码的有机结合。它是基于话音产生模型,并采用了分析与合成技术,这一点与参量编码相同;同时,它又利用了话音时间波形信息,增强了重建话音的自然度,使得话音质量有明显的提高,这一点又与波形编码相似。

混合编码的特点是:话音信号中既包括若干话音特征参量,又包括部分波形编码信息,因而综合了参量编码和波形编码各自的优点,既保持了参量编码低速率的长处,又有波形编码高质量的优点。混合编码的比特率一般在4~16 kbit/s之间。当编码速率在8~16 kbit/s范围时,其话音质量可达到商用话音通信标准的要求。因此,混合编码技术在数字移动通信中得到了广泛的应用。典型的混合编码技术包括规则脉冲激励长期预测编码(RPE-LTP)、多脉冲激励线性预测编码(MPLPC)、矢量和激励线性预测编码(VSELP)、码本激励线性预测编码(CELP)等。

语音编码技术经历了多年的发展,已日趋成熟。各种实用技术在不同种类的通信网中得到了广泛的应用。表2-5给出了常用数字移动通信系统语音编码的类型。

表2-5 常用数字移动通信系统语音编码类型

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